壳聚糖制备功能型微凝胶及其生物医学应用进展

储 雨，李和霖*

（浙江工业大学，长三角绿色制药协同创新中心，杭州310014）

微凝胶和纳米凝胶是微米和纳米尺寸的交联胶体聚合物网络，具有高吸水能力、可调节的微结构、生物相容性、生物可降解性和可调节的化学和机械性能[1-5]。此外，他们的高比表面积可包封多价态的生物活性偶联物及多种药物[6]。微凝胶可以在外界刺激的作用下膨胀或收缩，例如温度、pH、离子强度和光线等[7-10]。这些独特的性质为制备多功能型微凝胶提供了巨大的潜力，这些功能型微凝胶将成为药物包封和递送的载体，在体外用于细胞扩增和增殖，在体内用于组织再生和重建。

1 基于生物聚合物的微凝胶

天然和合成聚合物都被用于合成微凝胶。合成聚合物包括聚（丙烯酸）、聚（甲基丙烯酸）、聚（4-乙烯基吡啶）、聚（N，N-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯）、聚（N-乙烯基己内酰胺）及聚（N-异丙基丙烯酰胺）等[11-16]。在多功能交联剂的存在下，这些合成聚合物通常用于制备基于合成聚合物的微凝胶[17]。

近年来，基于生物聚合物的微凝胶/纳米凝胶（生物微凝胶/生物纳米凝胶）受到越来越多的关注，并克服基于合成聚合物的微凝胶相关的一些问题，如生物可降解性差及其对环境的毒性。这些生物微凝胶/生物纳米凝胶不仅表现出合成物已有的性质，而且具有其独特的特性，如生物相容性、生物可降解性、生物可受度，无毒性及价格低廉[18-22]。此外，生物微凝胶/生物纳米凝胶具有多种功能基团，例如羟基、氨基和羧酸，可被多种交联剂交联并用于缀合细胞靶向剂[23]。

天然生物聚合物的典型例子是多糖，例如壳聚糖、葡聚糖、纤维素、果胶、透明质酸、普鲁兰多糖、硫酸软骨素、琼脂、琼脂糖和海藻酸钠等，这些物质通常用于制备生物相容性微凝胶[24-33]。一些最常见的天然生物聚合物如图1所示[34]。

图1 可用于药物输送系统的天然生物聚合物Fig 1 Natural biopolymers for use in drug delivery systems

2 壳聚糖

在现有的天然生物高聚物中，壳聚糖作为一种天然多糖引起了人们的广泛关注，并用于纳米粒子的制备[35]。壳聚糖是一种线性多糖，从甲壳素的部分脱乙酰化反应中获得，由β-(1-4)-d-葡萄糖胺（脱乙酰基单元）和N-乙酰葡糖胺（乙酰基单元）组成。甲壳素是含量第2 丰富的天然聚合物，由一系列分子量、黏度及pKa等不同程度的聚合物组成[36]。它的平均相对分子质量介于50×103～2 000×103[37]。甲壳素和壳聚糖可以从蟹、虾、磷虾、昆虫和真菌等贝类来源获得。他们得到了相当大的关注，因为他们不仅可以从可再生资源中获得，并且是无毒、具有生物相容性的材料，显示出广泛的潜在应用，尤其在生物医学领域[38]。

壳聚糖含有3 种类型的反应基团（1 个氨基和2 种羟基)，其中一级和二级羟基分别位于重复的糖苷单元中。这些功能基团的存在，经化学基团修饰的壳聚糖已为食品、化妆品以及生物医学和医药应用等领域提供了许多有用的材料[39]。通过在壳聚糖链上产生自由基，从而获得具有化学修饰的甲壳素和壳聚糖结构，这些自由基与可聚合单体反应，并产生接枝链[40]。此外，氨基离子化后，增加的电荷密度使得壳聚糖适合于烷基化、酰化和羧甲基化等化学反应[41]。

氨基的季铵化使壳聚糖成为pKa 约为6.5 的阳离子聚电解质。在低pH时，氨基基团质子化并带正电荷。其聚阳离子表面使壳聚糖适用于负电荷基体的粘附、聚集聚阴离子化合物以及与不同金属离子如Ca2+、Ba2+和Al3+的螯合[42]。

基于壳聚糖的生物相容性、生物可降解性、生物黏附性、生物活性和低毒性等特性，壳聚糖已被广泛用作包含细胞增殖、组织工程和靶向药物递送系统在内的生物医学领域的制药辅料[43-45]。

3 壳聚糖微凝胶的制备

优异的生物相容性和生物可降解性，多糖（例如壳聚糖和葡聚糖）往往被认为是医学和生物技术领域设计和制造微纳米颗粒的理想候选者[46]。此外，壳聚糖含有丰富的氨基基团，是制备具有pH响应微凝胶的理想材料[47]。

制备聚合物基微凝胶或纳米凝胶可通过不同的交联方式进行，如化学交联或物理交联。化学交联是通过在壳聚糖的功能基团（例如氨基和羟基）之间进行共价交联反应来制备基于壳聚糖的微凝胶网络，常用的交联剂有戊二醛、乙二醛、京尼平或琥珀酰亚胺末端功能化的聚乙二醇[48-52]。壳聚糖与戊二醛可以通过壳聚糖的氨基与戊二醛的醛基反应，形成共价亚胺键。另一种形式的交联剂是京尼平，它是一种优良的天然交联剂，并呈现极好的与壳聚糖、蛋白质、胶原蛋白和明胶的交联性能，也比许多其他合成交联剂的毒性小。因此，他已被广泛用于生物医学应用[53]。

WANG 等介绍了1 种新型的生物相容性微凝胶，通过天然衍生的交联聚合物（如壳聚糖和明胶）与琥珀酰亚胺端聚乙二醇（NHS-PEG-NHS）交联得到[54]。制备的微凝胶含有天然成分明胶和壳聚糖以及交联剂NHS-PEG-NHS，具有极好的生物相容性。此外，他们还能满足药物包封和尺寸控制的要求。该微凝胶经测试具有包裹疏水性药物并实现持续给药的能力。

制备基于壳聚糖的微凝胶的另一种交联方法是物理相互作用，如氢键、范德华力、静电相互作用或疏水缔合[55-58]。这些物理交联策略是通过不同的合成路线实现的，许多研究人员也用此法研究制备了壳聚糖基微凝胶。例如，Li等介绍了1种通过氢键交联的电活性超分子微凝胶[59]。制备的微凝胶具有双反应性、pH 和氧化还原活性。在反相微乳液体系中，壳聚糖与聚对苯二酚通过氢键交联得到微凝胶。通过包裹盐酸阿霉素（DOX），在溶菌酶存在下，DOX 可以从微凝胶中释放出来。因此，所制备的电活性微凝胶可用于生物医学领域。

GU等介绍了1种通过静电相互作用交联的pH响应性微凝胶[60]。以壳聚糖基质、葡萄糖特异性酶和重组人胰岛素为原料，制备了物理交联的pH响应性注射用微凝胶，实现了葡萄糖响应性胰岛素的闭环递送。在这些体系中，壳聚糖基质通过静电相互作用被三聚磷酸交联，并将载酶纳米胶囊、含葡萄糖氧化酶（GOx）/过氧化氢酶（CAT）的酶纳米胶囊和胰岛素包裹在基质中。GOx 是一种葡萄糖特异性酶，可以催化葡萄糖生成葡萄糖酸。微凝胶内固定的葡萄糖被酶转化为葡萄糖酸，这种pH 敏感的基质（含有酶的纳米胶囊的微凝胶）由于微环境pH降低而膨胀。体内研究表明，这些系统可以在1型糖尿病小鼠模型中释放胰岛素和控制血糖水平。

VAHEDIFAR等报道了钙和壳聚糖介导乳清蛋白颗粒的聚集[58]。根据生物高分子的性质，与壳聚糖复合的蛋白质可以形成生物高分子团簇颗粒。在这些颗粒中，壳聚糖通过去质子化的乳清蛋白羧基与壳聚糖质子化的氨基之间的静电相互作用与乳清蛋白发生反应。这些反应基于乳清蛋白疏水斑块与壳聚糖的乙酰基之间的疏水相互作用，以及乳清蛋白与壳聚糖之间羟基的氢键作用。

4 生物医学的应用

癌症已经成为世界范围内的主要健康问题[61]。在癌症化疗期间，由于其非特异性作用部位，因此常规抗肿瘤药物的溶解性差、毒性高、治疗窗口狭窄以及对正常组织的严重副作用，这可能导致癌症治疗失败。因此，靶向药物载体系统已被广泛应用于封装大量药物，增强抗癌药物的治疗效果，减少不良作用，并特异性地将其递送到肿瘤细胞用于癌症治疗[62]。

对于肿瘤治疗来说，与正常组织不同的肿瘤微环境被认为是设计新疗法的重要因素之一。因此，基于壳聚糖的微凝胶可以被设计为对来自肿瘤微环境的刺激作出反应以实现药物递送的刺激响应系统[63]。由于其肿胀-消肿转变的刺激响应行为，药物可以被包裹在纳米载体中，然后当其体积发生变化时从载体内部释放出来。因此，刺激反应性微凝胶被研究用作药物传递系统。可以合成载有药物的微凝胶并使其功能化，并且可以对其体积转换进行调整，以在包括外部刺激如pH或温度变化、离子强度、超声、磁场、电效应和辐照或生物刺激如与酶和蛋白质的相互作用的存在下触发药物从颗粒中释放[64-70]。

Hu等合成了新型前药缀合物羧甲基壳聚糖-羧基苯甲醛-阿霉素纳米颗粒（CMC-CBA-DOX NPs），其可以通过被动靶向在肿瘤细胞的酸性环境中释放DOX[71]。以羧甲基壳聚糖聚合物为载体，对羧基苯甲醛（p-CBA）为微分子接头，通过酰胺键连接DOX，形成两亲性高分子药物偶联物，构建了酸敏性被动靶向释药系统。观察细胞摄取和释放DOX 的情况，CMC-CBA-DOX 纳米粒子通过静脉注射进入人体，然后通过血液循环扩散到组织中。载药纳米粒通过内吞作用进入肿瘤细胞。在酸性局部环境中，药物（DOX）和载体（CMC）之间的亚胺键被切割，从而触发药物的释放。

5 总结与展望

生物高分子的性能为功能性微凝胶提供了pH敏感性、导电性和生物降解性等多种性能。壳聚糖作为一种独特的多糖，可以作为微凝胶的支架材料，在药物传递领域具有广阔的应用前景。基于生物聚合物的微凝胶在药物释放系统中的应用，介绍了基于壳聚糖的功能性微凝胶。这些微凝胶具有良好的生物相容性、生物降解性、无毒性、pH 敏感性、氧化还原活性和可调节的化学和机械性能。这些壳聚糖的微凝胶具有极好的药物包封能力，可作为癌症治疗的良好候选者，并在药物递送系统具有广泛的应用。

基于壳聚糖生物聚合物的特性，在将来可实现制备用于多种药物递送的天然药物载体，或用于功能化纺织品，从而实现湿度管理和体温调节活性。此外，壳聚糖纳米凝胶可用于实现污水废液的杂质吸附。由此可见，通过将生物聚合物系统用于制备功能性微凝胶，在未来可实现多种功能及应用。